论文总字数：33450字

目 录

1二次电子发射 4

1.1 二次电子发射的物理过程 4

1.2 二次电子发射系数的测量 5

1.3 二次电子发射的应用 7

1.3.1 在航天器充电上的应用 7

1.3.2 在电子倍增器上的应用 7

1.3.3 在表征技术上的应用 8

2 NEA半导体 8

2.1 NEA半导体的工作原理 9

2.2 NEA半导体的表面模型

3 δ的通用公式 11

4 2keV≤E_pmax≤5keV 的NEA半导体的二次电子发射 13

4.1 NEA半导体GaN的二次电子发射 14

4.2 NEA半导体GaP的二次电子发射

4.3 NEA半导体GaAs的二次电子发射

4.4 NEA半导体GaAs的二次电子发射 17

4.5 结果与讨论 18

5 B的公式推导 19

6结论 22

参考文献 23

致谢 25

附录 26

在学期间发表的论文 34

负电子亲和势半导体二次电子发射的理论研究

夏雨晴

, China

Abstract: In this paper, firstly, based on primary range R, relationships among parameters of secondary electron yield δ and the processes and characteristics of secondary electron emission (SEE) from negative electron affinity (NEA) semiconductors, the universal formulas for δ at 0.1 keV≤E_p≤10 keV and at 10 keV≤E_p≤100 keV for NEA semiconductors were deduced, respectively; where E_p is incident energy of primary electron. According to the characteristics of SEE from NEA semiconductors with 5keV≥E_pmax≥2 keV, R, deduced universal formulas for δ at 0.1 keV≤E_p≤10 keV and at 10 keV≤E_p≤100 keV for NEA semiconductors and experimental data, special formulas for δ at 10 E_pmax≥E_p≥0.5 E_pmax of several NEA semiconductors with 5keV≥E_pmax≥2 keV were deduced and proved to be true experimentally, respectively; where E_pmax is the E_p at which δ reaches maximum secondary electron yield. It can be concluded that the formula for B of NEA semiconductors with 5keV≥E_pmax≥2 keV was deduced and could be used to calculate B, and that the method of calculating the 1/α of NEA semiconductors with 5 keV≥E_pmax≥2 keV is plausible; where B is the probability that an internal secondary electron escapes into vacuum upon reaching the surface of emitter, and 1/α is mean escape depth of secondary electron.

Key words: negative electron affinity semiconductors; secondary electron yield; the probability; mean escape depth of secondary electron.

二次电子发射

当利用具有一定速度或能量的电子轰击物体表面时，它会使电子从被轰击物体的表面发射出去的现象被称为二次电子发射。1899年Campbell^[1]发现了二次电子发射现象，从那时起，人们就开始对二次电子发射的机理、特性和应用进行了广泛而深入的研究。二次电子发射有多种类型，当物体被电子轰击时，从被轰击的物体表面发射电子的现象被称为反射二次电子发射。一般情况下，二次电子发射是指这种类型。如果电子从被轰击的物体背面发射出来，则称为透射二次电子发射。用离子轰击物体时，则会发生离子发射现象。在另一种情况下，被轰击的物体是绝缘材料，它不发射电子，只有在轰击区域内，绝缘体才瞬间成为电导体，停止轰击后，绝缘性能就会恢复，这种现象被称为电子轰击导电。

轰击物体的电子被称为原电子或一次电子，从被轰击的物体发射的电子被称为次级电子或二次电子。二次电子还包括从物体表面直接射出的原电子。二次电子数与一次电子数的比值称为二次电子发射系数，通常用δ表示。由于二次电子发射过程很复杂，所以δ与许多因素有关。

随着技术的发展，二次电子发射的应用越来越广泛。在电子倍增器和光电倍增管中，它可以将非常微弱的电流放大到几百万倍。在电视摄像机、存储管和直观存储管等电子管中，靶表面发生的物理过程与二次电子发射密切相关。二次电子发射也普遍应用于图像增强器、俄歇电子光谱仪、扫描电子显微镜、和一些其他的表面分析仪器中。从负面缺点而言，二次电子发射在某些电子真空装置中具有不利影响。例如，栅控电子管中的栅极的二次电子发射可能会影响和破坏电子管的正常工作特性；在高压条件时，二次电子发射会导致绝缘部分被击穿；在超高频管中，存在二次电子共振现象。所以在某些场合，必须抑制二次电子发射^[2]。

1.1 二次电子发射的物理过程

二次电子发射的物理过程非常复杂，很难准确全面的描述。简要的说，主要包括三个过程：二次电子激发，二次电子向表面运输，二次电子从表面逸出等。

（1）二次电子激发过程

按照经典理论的观点，原电子射入发射体后，将与晶格原子的外壳层电子相互作用，电子受到激发从而跃迁到导带较高的能级。而原电子因为损失了本身的能量，速度将减慢，最后停止。当原电子的速度大时，原电子与其行程附近的晶格原子相互作用时间会变短，使得外壳层电子受激跃迁的几率变小。原电子的能量变小后，激发产生二次电子的几率反而增大。当原电子的能量小到一定程度以后，激发几率会迅速降低，一直到零。

（2）二次电子向表面运动过程

二次电子产生后，具有能量和速度的分布，其中会有一部分朝着表面方向运动。在运动过程中，他们将通过以下方式损失能量：

1. 与导带里的电子相互作用；
2. 与晶格原子作非弹性碰撞，使原子的壳层电子得到激发；
3. 与晶格原子作弹性碰撞，激发产生声子；
4. 与缺陷相互作用以及复合等。

（3）二次电子从表面逸出的过程

如果二次电子运动到达物体表面还具有足以克服表面势垒的能量，则可以逸出物体表面成为真正的二次电子。

然而通过实验装置收集的二次电子，除了真二次电子之外，还包括从物体表面势垒反射回来的原电子等许多其他成分。比如轰击在靶的材料表面，并被靶的材料表面势垒反射出来的一次电子；射入靶的材料，并与靶的材料表面晶格原子发生弹性碰撞，弹射出来的一次电子；此外，还有部分电子射入靶材后，与靶材原子经过非弹性碰撞，它也能从靶的材料表面被发射出来并被实验装置所收集。上述二次电子从表面逸出的派生过程也会产生二次电子。

1.2 二次电子发射系数的测量

由于表面带电现象，使用测量绝缘体或半导体的一般方法，会遇到一定的困难。下面将介绍几种可行的测量半导体或绝缘体二次电子发射系数的方法^[3]。

（1）静电法

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